Con la continua espansione delle batterie agli ioni di litio, che si estendono dai veicoli elettrici alle apparecchiature industriali, alle macchine edili, ai data center, ai gruppi di continuità e ai sistemi di accumulo di energia stazionari, i sistemi di gestione delle batterie (BMS) devono affrontare requisiti sempre più stringenti. In tutte queste applicazioni, è necessario raggiungere simultaneamente tre obiettivi: funzionamento continuo, sicurezza e lunga durata.

Al contempo, i pacchi batteria stanno diventando sempre più grandi e complessi. Con l'aumento del numero di celle in serie e in parallelo, qualsiasi variazione o anomalia in una singola cella può avere un impatto sempre maggiore sulle prestazioni, sulla durata e sulla sicurezza dell'intero sistema. Una volta installati sul campo, i pacchi batteria non possono essere smontati per l'ispezione, rendendo il BMS l'unico mezzo pratico per monitorare lo stato di salute della batteria durante tutto il suo ciclo di vita.

In queste condizioni, la diagnostica convenzionale delle batterie basata su misurazioni di tensione, corrente e temperatura sta raggiungendo i suoi limiti. Sebbene la stima dello stato di carica (SOC) e dello stato di salute (SOH) rimanga importante, i sistemi di batterie di nuova generazione richiedono sempre più una profonda comprensione dei meccanismi di degrado e dei rischi per la sicurezza emergenti prima che si verifichino guasti.
La spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) offre un approccio fondamentalmente diverso per esaminare il comportamento della batteria nel dominio della frequenza. Invece di basarsi esclusivamente su misurazioni elettriche aggregate, l'EIS consente di osservare i processi elettrochimici che avvengono all'interno della cella, fornendo una visione più completa e dettagliata dello stato di salute della batteria.

Limitazioni dei metodi diagnostici convenzionali
Molte implementazioni di BMS si basano su misurazioni della resistenza impulsiva utilizzando il metodo ΔV/ΔI. Applicando un impulso di corrente e misurando la risposta di tensione risultante, la resistenza può essere stimata con requisiti hardware minimi.
Tuttavia, il valore di resistenza risultante è una grandezza composita che include contributi da molteplici fenomeni fisici, tra cui la resistenza ohmica, la resistenza al trasferimento di carica, gli effetti della capacità del doppio strato, la sovratensione correlata alla diffusione e il comportamento dipendente dalla temperatura e dallo stato di carica (SOC). Sebbene comodo, un singolo valore di resistenza fornisce poche informazioni sulla causa sottostante del degrado della batteria.

Figura 1. Rappresentazione circuitale equivalente di una batteria agli ioni di litio.
Analogamente, la stima dello stato di carica (SOC) basata sulla tensione a circuito aperto funziona bene in condizioni operative stabili, ma diventa sempre più difficile in presenza di carichi dinamici, variazioni di temperatura e condizioni di ricarica rapida. I meccanismi di degrado critici per la sicurezza, come la deposizione di litio, possono svilupparsi molto prima che si manifesti una perdita di capacità o un aumento della resistenza evidenti.
Ciò rappresenta una sfida significativa per i sistemi di batterie di prossima generazione. In molti casi, il rischio può aumentare mentre gli indicatori tradizionali appaiono ancora normali.
Sebbene la compensazione della temperatura, la stima basata su modelli e le tecniche di apprendimento automatico possano migliorare le prestazioni, rimangono fondamentalmente limitate dalle grandezze fisiche disponibili come input. Se le grandezze misurate non contengono sufficienti informazioni causali, un'ulteriore elaborazione da sola non può recuperarle completamente.

Comprensione
della spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) La spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) affronta questa limitazione separando i processi della batteria in base alle loro costanti di tempo caratteristiche.
All'interno di una batteria, la conduzione elettronica, il trasporto ionico, le reazioni di trasferimento di carica interfacciale e i processi di diffusione avvengono simultaneamente. Nelle misurazioni nel dominio del tempo, questi effetti si sovrappongono e sono difficili da separare. L'EIS applica una piccola eccitazione sinusoidale e misura la risposta di tensione e corrente risultante a più frequenze, consentendo di osservare i singoli processi elettrochimici in modo indipendente.
L'impedenza risultante contiene informazioni sia sull'ampiezza che sulla fase, fornendo informazioni sul comportamento resistivo e reattivo in tutta la batteria.
L'impedenza di una batteria agli ioni di litio è tipicamente rappresentata da modelli di circuito equivalente costituiti da:

Resistenza ohmica (Rs)
Resistenza al trasferimento di carica (Rct)
Capacità del doppio strato (Cdl)
Elementi correlati alla diffusione

Diverse regioni di frequenza mettono in evidenza fenomeni elettrochimici distinti. Le misurazioni ad alta frequenza sono dominate dalla resistenza ohmica e dagli effetti di interconnessione. Le misurazioni a media frequenza rivelano le reazioni interfacciali e il comportamento dell'interfaccia solido-elettrolita (SEI). Le misurazioni a bassa frequenza catturano i processi di diffusione e la polarizzazione di concentrazione.

Poiché le caratteristiche di impedenza variano con lo stato di carica, l'EIS può fornire informazioni complementari ai metodi tradizionali di stima dello stato di carica (SOC), soprattutto in condizioni operative dinamiche in cui gli approcci basati sulla tensione a circuito aperto (OCV) perdono affidabilità.
Questa separazione dei fenomeni elettrochimici è uno dei principali vantaggi dell'EIS rispetto alle misurazioni di resistenza convenzionali.

Visualizzazione del comportamento della batteria con i diagrammi di Cole-Cole:
i risultati dell'EIS vengono spesso visualizzati utilizzando i diagrammi di Nyquist o di Cole-Cole, che rappresentano graficamente la componente immaginaria dell'impedenza in funzione della componente reale.
Le variazioni nella forma del diagramma possono rivelare informazioni preziose sullo stato della batteria. Il diametro di un arco semicircolare è solitamente associato alla resistenza al trasferimento di carica, mentre gli spostamenti nell'intersezione con l'asse reale possono indicare variazioni nella resistenza ohmica. Distorsioni o spostamenti di queste caratteristiche possono indicare l'inizio di meccanismi di degradazione.

Figura 2. Diagramma di Cole-Cole che mostra la relazione tra le caratteristiche di impedenza e i processi interni della batteria.

Anziché trattare il degrado della batteria come un singolo valore numerico, l'EIS trasforma l'impedenza in una rappresentazione strutturata in grado di fornire informazioni sulle reazioni interfacciali, sul comportamento di diffusione e sui percorsi di degrado in evoluzione.

Diagnostica di deposizione di litio e sicurezza:
una delle applicazioni più importanti della spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) è il rilevamento dei precursori della deposizione di litio. La deposizione di litio si verifica quando l'inserimento del litio nell'elettrodo negativo diventa limitato dalla velocità di carica e il litio metallico inizia a depositarsi sulla superficie dell'elettrodo. Le condizioni che aumentano il rischio di deposizione includono basse temperature, carica ad alto stato di carica (SOC), profili di carica rapida aggressivi e invecchiamento della cella.
La difficoltà sta nel fatto che la deposizione di litio spesso si sviluppa prima che si manifestino anomalie di tensione evidenti o perdite di capacità misurabili. Una volta instaurata, può portare a una perdita irreversibile di litio, a una degradazione accelerata, alla formazione di dendriti, al riscaldamento localizzato e, in definitiva, a un aumento del rischio di instabilità termica.
Poiché gli indicatori BMS convenzionali potrebbero non rilevare questi cambiamenti iniziali, l'EIS offre uno strumento diagnostico potenzialmente prezioso. Le variazioni nel comportamento di fase, nelle componenti di impedenza immaginaria e nelle caratteristiche di trasferimento del carico possono rivelare condizioni interfacciali in evoluzione prima che compaiano sintomi più visibili.
In particolare nelle regioni di media e alta frequenza, le misurazioni EIS possono fornire informazioni preziose mantenendo tempi di misurazione pratici adatti alle applicazioni sul campo.

Sfide di implementazione:
Sebbene i vantaggi dell'EIS siano ben noti in ambito di laboratorio, la sua implementazione nell'hardware BMS di produzione presenta sfide significative.
L'impedenza delle celle della batteria è estremamente bassa, spesso dell'ordine di un milliohm. Con le tipiche correnti di eccitazione, le variazioni di tensione risultanti possono essere di poche centinaia di microvolt. Questi segnali devono essere misurati con precisione in ambienti contenenti rumore di commutazione, interferenze elettromagnetiche, variazioni di temperatura e altri disturbi.
Anche la precisione di fase è fondamentale. Le prestazioni di misurazione dipendono non solo dalla risoluzione di ampiezza, ma anche dalla sincronizzazione temporale, dalla precisione di campionamento, dalle caratteristiche di filtraggio e dall'adattamento del percorso del segnale. Pertanto, la sua implementazione pratica richiede un'analisi approfondita della larghezza di banda di misurazione, delle prestazioni in termini di rumore, dei costi di implementazione e delle condizioni operative.

Approcci pratici all'implementazione dell'EIS nei sistemi di gestione delle batterie:
anziché tentare di miniaturizzare gli strumenti EIS da laboratorio, Renesas si concentra sull'estrazione di informazioni utili sull'impedenza utilizzando le risorse già disponibili nelle architetture BMS.
L'approccio dell'azienda pone l'accento sul basso consumo energetico, sull'uso minimo di componenti esterni e sulla compatibilità con sistemi di batterie multicella ad alta tensione.
Vengono impiegate due tecniche complementari.

Approccio 1: Sovrapposizione di corrente alternata con sincronizzazione equivalente lock-in.
Il primo approccio introduce una piccola componente alternata nella corrente della batteria ed estrae le informazioni sull'impedenza utilizzando tecniche di misurazione sincronizzate.
Gli strumenti di laboratorio tradizionali si basano in genere su più convertitori analogico-digitali (ADC) e architetture lock-in dedicate. L'approccio di Renesas mira a ottenere un'estrazione equivalente di ampiezza e fase utilizzando risorse BMS pratiche, tra cui convertitori delta-sigma ed elaborazione digitale.

Figura 3. Architettura dell'amplificatore "lock-in" utilizzato per la misurazione dell'impedenza di corrente alternata (AC-IMP).

Questo metodo è particolarmente efficace in condizioni di standby, dove il flusso di corrente è minimo e il rumore elettrico è ridotto. L'eccitazione controllata e il rilevamento sincronizzato consentono un'estrazione stabile delle informazioni di impedenza, mantenendo al contempo la compatibilità con i requisiti dei sistemi di gestione delle batterie (BMS) di produzione.

Approccio 2: Stima basata su FFT a partire dalle risposte impulsive.
Il secondo approccio sfrutta la relazione matematica tra il comportamento nel dominio del tempo e quello nel dominio della frequenza.
Invece di eseguire scansioni di frequenza dirette, le forme d'onda di rilassamento dello stress generate durante il normale funzionamento del BMS possono essere analizzate utilizzando tecniche basate su FFT per stimare i parametri RC equivalenti.
Questi parametri sono direttamente correlati al comportamento di rilassamento associato alla diffusione e alle reazioni interfacciali, rendendoli rilevanti per il controllo del carico, la gestione termica e la valutazione del degrado.
Sebbene permangano delle difficoltà dovute alla sensibilità al rumore e alla correlazione dei parametri, questo approccio offre un modo pratico per estrarre informazioni relative all'EIS da misurazioni già disponibili nei flussi di lavoro BMS esistenti.

Dalla misurazione al processo decisionale automatizzato:
il valore fondamentale dell'EIS risiede non solo nella misurazione, ma anche nella trasformazione dei risultati della misurazione in decisioni concrete.
In ambito di laboratorio, esperti qualificati interpretano in genere i diagrammi di Cole-Cole visivamente. Le implementazioni BMS in ambito produttivo richiedono un giudizio automatizzato, robustezza alle variazioni e risultati diagnostici interpretabili.
Pertanto, i dati di impedenza devono essere convertiti in caratteristiche quantitative adatte all'analisi automatizzata. Esempi includono le variazioni di Rs, le variazioni del diametro dell'arco associate alla resistenza al trasferimento di carico e lo spostamento del picco di impedenza.

Figura 4. Estrazione di caratteristiche dai diagrammi di Cole-Cole per la diagnosi automatizzata.

Renesas si concentra sull'estrazione di caratteristiche diagnostiche stabili utilizzando un numero limitato di punti di frequenza, consentendo un'implementazione pratica senza la necessità di misurazioni a spettro completo. Questo approccio permette una rapida valutazione della sicurezza, integrando misurazione, analisi e processo decisionale direttamente nel BMS.

Conclusione:
Con l'aumento delle dimensioni, della complessità e dei requisiti prestazionali dei sistemi a batteria, gli approcci diagnostici convenzionali basati esclusivamente su misurazioni di tensione, corrente e temperatura risultano sempre più limitati. La spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) offre una visione più completa del comportamento della batteria, separando i processi elettrochimici in base alle loro costanti di tempo caratteristiche, consentendo una comprensione più approfondita dei meccanismi di degrado e dei rischi per la sicurezza emergenti.
Combinando tecniche pratiche di misurazione dell'impedenza, estrazione di caratteristiche e processi decisionali automatizzati, le tecnologie EIS di Renesas aprono la strada a una diagnostica applicabile sul campo, in grado di supportare la prossima generazione di sistemi di gestione delle batterie.

Autori: John Carpenter e Masaki Hogari, Renesas https://www.renesas.com

Informazioni sugli autori:
John Carpenter è direttore presso Renesas Electronics, dove è responsabile dell'ingegneria dei sistemi e delle applicazioni per il gruppo di gestione delle batterie. Ha una vasta esperienza incentrata su soluzioni di sistema per le tecnologie di gestione delle batterie e dell'energia e ha guidato complessi programmi di sviluppo prodotto e team interfunzionali. È specializzato nell'esecuzione di progetti, nella gestione degli stakeholder, nello sviluppo di sistemi e nella pianificazione strategica del mercato, e vanta una solida esperienza nella fornitura di soluzioni innovative e nel promuovere il successo aziendale attraverso la collaborazione e l'eccellenza operativa.

Masaki Hogari è un ingegnere applicativo senior presso Renesas Electronics e membro del team Algorithm Firmware Technology (AFT). Vanta una vasta esperienza nelle tecnologie delle batterie agli ioni di litio e nelle soluzioni per sistemi di gestione della batteria (BMS). La sua competenza tecnica spazia dagli algoritmi di gestione della batteria per la stima dello stato di carica, alla diagnostica dello stato di salute della batteria, all'analisi basata sull'impedenza, alla sicurezza della batteria e al rilevamento del rigonfiamento della batteria. Il suo lavoro ha contribuito all'adozione delle tecnologie delle batterie agli ioni di litio in un'ampia gamma di applicazioni industriali, tra cui utensili elettrici e biciclette elettriche, e ha guidato lo sviluppo e la commercializzazione di soluzioni di circuiti integrati per indicatori di carica per diversi sistemi di batterie. Attualmente è specializzato nella caratterizzazione delle batterie e nello sviluppo di algoritmi, e ha una solida esperienza nel promuovere l'innovazione attraverso tecnologie proprietarie e nel facilitare l'implementazione di successo dei sistemi di batterie, comprese attività di formazione e sviluppo delle competenze a livello globale.